Bài giảng Hệ điều hành - Bài 8: Quản lý nhập xuất

Ths. Lương Trần Hy Hiến
www.hutechos.tk


Giới thiệu về thiết bị nhập xuất
Các kỹ thuật quản lý thao tác nhập xuất
Các vấn đề về thiết kế hệ thống quản lý nhập
xuất trong HĐH
 Kỹ thuật vùng đệm nhập xuất
 Quản lý hệ thống nhập xuất đĩa




2




Tạo thành một lớp giao tiếp độc lập thiết bị
 Che giấu các chi tiết kỹ thuật của các thiết bị phần

cứng.
 Quản lý và sửa lỗi



Làm cho các thiết bị phần cứng đơn giản và dễ
dùng
Cho phép chia sẻ các thiết bị phần cứng
 Xây dựng các cơ chế bảo vệ các thiết bị được chia sẻ

 Điều phối thiết bị để phục vụ cho nhiều nhu cầu sử

dụng cùng lúc .
3




Các thiết bị giao tiếp:
 Các thiết bị chỉ nhập : bàn phím, chuột, joystick…
 Các thiết bị chỉ xuất : màn hình, máy in
 Các thiết bị vừa nhập vừa xuất: card mạng.



Các thiết bị lưu trữ:
 Thiết bị vừa xuất, vừa nhập: đĩa (cứng/mềm), băng từ
 Thiết bị chỉ xuất: CD-ROM.
4


5




Phân loại theo mục đích sử dụng:
 Các thiết bị giao tiếp:
▪ Các thiết bị chỉ nhập : bàn phím, chuột, joystick…
▪ Các thiết bị chỉ xuất : màn hình, máy in

▪ Các thiết bị vừa nhập vừa xuất: card mạng.
 Các thiết bị lưu trữ
▪ Thiết bị vừa xuất, vừa nhập: đĩa (cứng/mềm), băng từ
▪ Thiết bị chỉ xuất: CD-ROM



Phân loại theo phương pháp truy xuất:
 Thiết bị khối:
▪ Tổ chức theo từng khối riêng biệt và truy xuất ngẫu nhiên (VD: CD-ROM,
HDD)

 Thiết bị tuần tự
▪ Gởi nhận theo chuỗi bit và phải truy xuất tuần tự (VD: Card mạng, Bàn
phím)
6




HĐH phải gom nhóm các thiết bị khác nhau thành
những nhóm cơ bản để dễ dàng quản lý:
 Storage
▪ Hard drives, Tapes, CDROM
 Networking
▪ Ethernet, radio, serial line
 Multimedia
▪ DVD, Camera, microphones



HĐH phải cung cấp các phương thức nhất quán để
truy cập các nhóm đối tượng trên. Nếu không, lập
trình sẽ rất khó khăn
7










Tốc độ
Ứng dụng
Mức độ phức tạp để kiểm soát
Đơn vị truyền
Biểu diễn dữ liệu
Phát sinh lỗi





Ứng dụng
 Đĩa dùng để lưu trữ đòi hỏi phải có hệ thống
quản lý tập tin đi kèm
 Đĩa dùng để làm bộ nhớ ảo đòi hỏi phải có sự

hỗ trợ phần cứng và phần mềm.
 Các thiết bị đầu cuối được sử dụng bởi quản
trị sẽ có độ ưu tiên cao hơn.




Độ phức tạp để kiểm soát:
 Máy in so với đĩa



Đơn vị truyền
 Có thể được truyền theo byte hoặc khối (có thể là bit)



Biểu diễn dữ liệu
 Cơ chế mã hóa



Phát sinh lỗi
 Thiết bị khác nhau xử lý lỗi phát sinh khác nhau




Programmed I/O
 Tiến trình phải busy-waiting cho thao tác nhập xuất

hoàn thành


Interrupt-driven I/O
 Phát sinh lệnh I/O
 Bộ xử lý tiếp tục thực thi các chỉ thị khác
 Module I/O gởi một ngắt đến bộ xử lý khi hoàn thành

thao tác I/O




Direct Memory Access (DMA)
 Cơ chế truy cập bộ nhớ trực tiếp
 Cho phép thiết bị làm việc trực tiếp với bộ nhớ (phần

buffer đã được đăng ký)  giải phóng CPU
 Module DMA điều khiển việc chuyển đổi dữ liệu giữa
bộ nhớ chính và thiết bị I/O
 Bộ xử lý chỉ bị ngắt khi toàn bộ khối đã được chuyển




Tính hiệu quả
 Hầu hết các thiết bị I/O đều rất chậm so với
bộ nhớ chính
▪ Sử dụng cơ chế đa chương cho phép một vài tiến

trình chờ I/O trong khi tiến trình khác thi hành

 Cơ chế swapping
▪ Bản chất cũng là thao tác nhập/xuất




Tính tổng quát
 Mong muốn xử lý tất cả các thiết bị I/O giống nhau
 Che giấu hầu hết chi tiết của thiết bị nhập xuất để tiến

trình (mức cao) xem các thiết bị ở một vài chức năng
thông dụng như read, write, open, close, lock, unlock




HĐH sẽ cung cấp thư viện giao tiếp chung cho các ứng dụng

khác nhau:
 Thư viện đó là 1 tập các hàm có tên chung là system calls


Ví dụ , với HĐH Unix, sử dụng 4 phương thức chính:
 open()
 close()
 read()
 write()



Các phương thức (hàm) này là các system calls được cung cấp bởi
HĐH để cho phép các ứng dụng tương tác với các thiết bị xuất
nhập.
16


17


Các bước thực hiện khi gọi system call read (fd, buffer, nbytes)
18




Các phương pháp truyền tham số cho system
call
 Thông qua thanh ghi
 Thông qua bộ nhớ
 Thông qua stack khi gọi chương trình

19


20




Ba đặc tính khác nhau cần xem xét khi xử lý 1
thao tác nhập xuất:
 Blocking vs. Non-blocking
 Buffered

vs. Unbuffered
 Synchronous vs. Asynchronous

21




Blocking – ứng dụng dừng lại cho đến khi hoàn tất
thao tác đọc ghi
 Ví dụ: Trong thiết bị mạng, nếu muốn ghi 1000 bytes, thì

HĐH ghi tất cả các byte cho đến khi ghi hoàn tất.
 Nếu thiết bị không thể thực hiện lệnh ghi được (ví dụ hỏng

dây nối)?
 kết thúc và trả về số bytes đã ghi được.



Nonblocking – HĐH đọc và ghi các bytes khi có thể,
không cần ứng dụng phải dừng lại.
22



Buffered:
 Trong trường hợp buffer dữ liệu của thiết bị quá nhỏ, để

không phải chờ quá lâu khi thực hiện IO
▪ buffered I/O cho phép kernel copy lại dữ liệu
▪ Bên write(): cho phép ứng dụng tiếp tục ghi dữ liệu
▪ Bên read(): khi thiết bị báo có dự liệu đến, kernel chép dữ liệu
vào buffer. Khi tiến trình gọi read(), kernel chỉ việc copy từ buffer.

 Khuyết điểm buffered I/O?
▪ Thêm chi phí để thực hiện copy
▪ Chậm trễ việc gửi dữ liệu



Unbuffred: Không chấp nhận ghi dữ liệu vào kernel
23




Synchronous: các xử lý khác thuộc ứng dụng
của người dùng cuối sẽ phải tạm dừng lại

(paused) để chờ các thao tác nhập xuất của nó
hoàn tất


Asynchronous: các xử lý khác của ứng dụng có
thể thực thi song song với các thao tác nhập
xuất
24




Giao tiếp đơn giản (thiết bị ngoại vi cục bộ)
 Logical I/O
 Device I/O
 Scheduling and Control



Giao tiếp thông quan cổng kết nối
 Communication architecture
 Device I/O

 Scheduling and Control